संगणक चालवणाऱ्या चिपचं आरेखन अद्याप हातानंच होतंय, त्यामुळे अडथळे वाढणारच, हे तिला सर्वांआधी जाणवलं; तिनं उपायही शोधला…
‘‘भविष्य बदलवण्याची सुरुवात ही ते बदलल्याच्या कल्पनाशक्तीने करावी लागते.’’ (इफ यू वॉन्ट टू चेंज द फ्युचर, स्टार्ट लिविंग अॅज इफ यू आर ऑलरेडी देअर) – निष्णात संगणक संरचनाकार (आर्किटेक्ट) आणि सेमीकंडक्टर चिप संरचनेवर आपला अमीट ठसा उमटवणाऱ्या लिन कॉनवेचे हे उद्गार जगप्रसिद्ध आहेत. चतुरस्रा प्रतिभेच्या आणि भविष्यवेधी नजरेनं सभोवतालाचं अवलोकन करणाऱ्या कॉनवे गेल्याच महिन्यात, ९ जून रोजी निवर्तल्या; पण चिप संरचना व निर्मिती प्रक्रियेच्या प्रमाणीकरणासंदर्भातील त्यांचं योगदान हे अतुलनीय आहे.
ऐंशीच्या दशकात चिपनिर्मिती क्षेत्रात घडलेल्या अमेरिकी पुनरुत्थानाचे तीन प्रमुख पैलू आहेत. पहिला हा अँडी ग्रोव्ह, जॅक सिम्प्लॉट यांसारख्या नवतंत्रज्ञानाचा पाठपुरावा करणाऱ्या धाडसी उद्याोजकांचा आहे तर दुसरा हा अमेरिकी शासनाने तेथील चिपनिर्मिती कंपन्यांसोबत मुत्सद्दीपणे आखलेल्या परराष्ट्र धोरणांचा आहे. तिसरा आणि काहीसा दुर्लक्षित राहिलेला पैलू हा लिन कॉनवे, कार्व्हर मीड यांसारख्या संशोधकांचा आणि त्यांच्या संशोधन प्रकल्पांच्या मागे भक्कमपणे उभे राहणाऱ्या डार्पासारख्या संस्थांचा (डिफेन्स अॅडव्हान्स्ड रिसर्च प्रोजेक्ट एजन्सी, लष्कराच्या तांत्रिक अद्यायावतीकरणासाठी नावीन्यपूर्ण तंत्रज्ञानाच्या शोधाचे प्रकल्प राबवणारी अमेरिकी संरक्षण खात्याची अग्रगण्य संस्था) आहे.
उच्च प्रतीच्या डीरॅम मेमरी चिप घाऊक प्रमाणावर तसेच कमी किमतीत बनवणाऱ्या जपानी चिप कंपन्यांच्या स्पर्धेत कसं टिकून राहायचं हा अमेरिकी चिप उत्पादकांसमोरचा एकमेव प्रश्न नव्हता. १९६५ साली गॉर्डन मूरनं केलेल्या भाकितानुसार (जो मूरचा नियम म्हणून प्रसिद्ध आहे) चिपवरच्या ट्रान्झिस्टरची संख्या आणि पर्यायाने तिची गणनक्षमता भूमितीश्रेणीनं (दर दीड ते दोन वर्षांनी दुपटीनं) वाढण्याची गरज होती. पण विशेषत: १९७५ नंतर मूरच्या नियमाबरहुकूम चिपच्या कार्यक्षमतेमध्ये वाढ करणं चिपनिर्मिती कंपन्यांना अशक्यप्राय होऊ लागलं. याचं मुख्य कारण होतं १९७० नंतर चिप आरेखन प्रक्रियेमध्ये आलेलं साचलेपण!
हेही वाचा >>> समोरच्या बाकावरून : मग कोण देणार या प्रश्नांची उत्तरे?
१९८० पर्यंत चिप उत्पादन प्रक्रियेमध्ये पुष्कळ सुधारणा झाल्या होत्या. अल्ट्राव्हायोलेट फोटोलिथोग्राफी तंत्रज्ञानामुळे चिपनिर्मिती घाऊक प्रमाणात करणं शक्य होत होतं. याच्या तुलनेत चिप आरेखन प्रक्रियेची सगळी भिस्त हस्तकामावरच (मॅन्युअल) होती. एखाद्या कलावंताप्रमाणे चिप आरेखनकार (डिझाइनर) मोठ्या फूटपट्ट्या आणि अनेक रंगीत पेन्सिली घेऊन चिपचं रेखाटन करायला बसत. ही प्रक्रिया पूर्ण व्हायला चिपची संरचना किती गुंतागुंतीची आहे त्यानुसार काही दिवस ते काही आठवडे असा कितीही काळ लागत असे. या संरचनेचं रूपांतर फोटोलिथोग्राफी प्रक्रियेसाठी सर्वप्रथम एका फोटोफिल्मवर व त्यानंतर कॅमेऱ्याच्या साहाय्यानं काचेच्या ‘मास्क’मध्ये केल्यानंतरच चिप उत्पादन प्रक्रिया खऱ्या अर्थानं सुरू होई.
जोपर्यंत चिपवरल्या ट्रान्झिस्टरची संख्या काही शे किंवा हजारांपर्यंत मर्यादित होती तोवर अशा प्रकारची पट्टी-पेन्सिलचा वापर करून कागदावर केलेली आरेखन प्रक्रिया चालून जात होती. पण मूरच्या नियमाप्रमाणे ही संख्या लाखांच्या घरात जायला फारसा वेळ लागणार नव्हता. त्यानंतर मात्र ही प्रक्रिया अशीच ‘मॅन्युअल’ पद्धतीने चालू राहिली असती तर संपूर्ण सेमीकंडक्टर क्षेत्राच्या प्रगतीलाच खीळ बसायला फार वेळ लागला नसता. या मर्यादेचं निराकरण करण्याचा सर्वात पहिला प्रयत्न गॉर्डन मूरचा मित्र आणि कॅलिफोर्निया इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजीमध्ये (कॅलटेक) भौतिकशास्त्राची प्राध्यापकी करणाऱ्या कार्व्हर मीड यांनी केला. चिपच्या भूमितीश्रेणीनं वाढत जाणाऱ्या गणनक्षमतेचं भाकीत जरी मूरनं केलं असलं तरीही त्याचं ‘मूर्स लॉ’ असं नामकरण या मीडनं केलं होतं. यानंतरच खऱ्या अर्थाने या नियमाला प्रसिद्धी आणि मान्यता मिळाली होती. त्यामुळेच या क्षेत्राच्या सर्वांगीण प्रगतीसाठी या नियमाची सत्यता टिकून राहण्याला मीडच्या दृष्टीनं पुष्कळ महत्त्व होतं.
चिप आरेखनामधली मानवी मर्यादा दूर करण्याच्या दृष्टीने संशोधन करत असताना सुदैवानं त्याची गाठ लिन कॉनवेशी पडली. कॉनवे तेव्हा नुकतीच ‘झेरॉक्स’च्या पालो आल्टो रिसर्च सेंटरमध्ये (पार्क) संगणक संरचनाकार (आर्किटेक्ट) म्हणून रुजू झाली होती. या भूमिकेत तिचा भर संगणकासाठी लिहिलेल्या आज्ञावलींच्या संचांचं (प्रोग्राम) प्रमाणीकरण करण्यावर होता. मीडच्या सांगण्यानुसार सेमीकंडक्टर चिप आरेखन व निर्मिती प्रक्रियेचं अवलोकन करत असताना कॉनवेला तांत्रिक स्तरावर चिप आरेखन व निर्मिती प्रक्रियांमध्ये असलेल्या जमीन अस्मानाच्या फरकाची जाणीव झाली. अशा ‘हायटेक’ क्षेत्रात होत असलेल्या या ‘मॅन्युअल’ कामाचा सर्वात मोठा दुष्परिणाम हा प्रमाणीकरणाच्या अभावाचा होता. ज्याप्रमाणे एकाच विषयावर दोन चित्रकारांनी काढलेली चित्रं एकसारखी असू शकत नाहीत त्याचप्रमाणे एकाच प्रकारच्या आणि क्षमतेच्या चिपसाठी दोन आरेखनकारांनी तयार केलेलं डिझाइन वेगवेगळं असायचं. हा अडथळा पार करणं या क्षेत्राच्या प्रगतीसाठी अत्यावश्यक आहे याची कॉनवेला प्रकर्षानं जाणीव झाली.
प्रमाणीकरण नसण्याचा आणखी एक तोटा हा चिप आरेखन आणि निर्मिती या दोन्ही घटकांच्या मर्यादेबाहेर वाढलेल्या परस्परावलंबित्वाचा होता. एका चिपनिर्मिती कंपनीत तयार केलेल्या आरेखनाबरहुकूम चिपनिर्मिती करणं केवळ त्याच कंपनीत शक्य होत असे. थोडक्यात एखादी व्यक्ती किंवा चिपनिर्मितीची क्षमता नसलेल्या कंपनीनं तयार केलेल्या चिप आरेखनाप्रमाणे चिपनिर्मिती करणं बऱ्याचदा अशक्यप्राय होई. कॉनवेच्या दृष्टिकोनातून ही मर्यादा दूर करणंदेखील या क्षेत्राच्या दीर्घकालीन प्रगतीसाठी जरुरी होतं. सॉफ्टवेअर कोडिंग क्षेत्रात नियमितपणे वापरल्या जाणाऱ्या विभाजनीकरणासारख्या संकल्पनेचा वापर चिप आरेखन प्रक्रियेत करता येईल का या प्रश्नानं कॉनवेला झपाटून टाकलं.
एका साध्या उदाहरणातून कॉनवेचं म्हणणं समजून घेता येईल. गुटेनबर्गनं छपाईयंत्राचा आणि ते चालवण्याच्या प्रक्रियेचा शोध लावल्यानंतर लेखकांना लिखाणावर, तर त्या लिखाणाचं मुद्रण किंवा छपाई करणाऱ्यांना छपाई प्रक्रियेवर लक्ष केंद्रित करणं शक्य झालं. याच तत्त्वानुसार चिप आरेखन आणि चिपनिर्मिती या दोन प्रक्रिया जर एकमेकांपासून विलग करता आल्या तर उपलब्ध निर्मिती क्षमतेचा फारसा विचार न करता चिप आरेखनकार आपलं सर्व लक्ष सर्वोत्कृष्ट चिप डिझाइन तयार करण्यामागे केंद्रित करू शकतील. म्हणजेच भविष्यात केवळ चिप आरेखन करू शकणारी एखादी कंपनी दुसऱ्या एखाद्या चिपनिर्मिती करू शकणाऱ्या कंपनीकडून तिला हव्या तशा आणि तितक्या चिप बनवून घेऊ शकेल. एकविसाव्या शतकात या क्षेत्रात आलेल्या ‘फॅबलेस’ क्रांतीचं (जिचा विस्तृत आढावा आपण लेखमालेत पुढे घेऊच) मूळ या संकल्पनेत सापडतं. कॉनवेचे विचार किती भविष्यवेधी होते याची या उदाहरणावरून एक छोटी झलक मिळू शकेल.
कॉनवे आणि मीडचं उद्दिष्ट अगदी स्पष्ट होतं. चिपचं आरेखन करण्यासाठी डिझायनरला भौतिकशास्त्रज्ञ किंवा इतर अभियंत्यांच्या सोबत बसून काम करण्याची तसेच चिपनिर्मिती होत असलेल्या कारखान्याच्या सामर्थ्यस्थळांची किंवा कच्च्या दुव्यांची माहिती असण्याची गरज असता कामा नये. चिप आरेखन प्रक्रियेचं प्रमाणीकरण करण्यासाठी मग त्या दोघांनी आरेखनासंदर्भातील काही नियम तसेच गणिती अल्गोरिदम लिहायला सुरुवात केली. त्यांच्या या कार्यात त्यांना मीडचे कॅलटेकमधले सहकारी संगणक शास्त्रज्ञ इव्हान सदरलँड यांची साथ मिळाली. या तिघांच्या एकत्रित प्रयत्नांतून १९७८ मध्ये ‘इंट्रोडक्शन टू व्हीएलएसआय सिस्टिम्स’ या चिप आरेखनासाठी मैलाचा दगड ठरलेल्या पुस्तकाची निर्मिती झाली.
व्हीएलएसआय म्हणजे ‘व्हेरी लार्ज स्केल इंटिग्रेशन’, थोडक्यात लक्षावधी ट्रान्झिस्टर्सची जोडणी असलेल्या (म्हणूनच ‘व्हेरी लार्ज स्केल’) चिपची निर्मिती! अल्पावधीतच बेस्टसेलर ठरलेल्या या पुस्तकात व्हीएलएसआय प्रकारच्या चिपचं आरेखन काही प्रमाण नियम व अल्गोरिदमचा वापर करून कसं करता येईल याचं विस्तृत विवेचन केलं आहे. पुस्तक प्रकाशनाच्या केवळ पाच वर्षांत हे पुस्तक जगभरातील तब्बल १२० विद्यापीठांनी आपल्या इलेक्ट्रॉनिक शाखेत शिकणाऱ्या विद्यार्थ्यांसाठी पाठ्यपुस्तक म्हणून लावलं. एवढंच नव्हे तर‘एमआयटी’नं (मॅसाच्युसेट्स इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजी) पुस्तक प्रकाशनानंतर वर्षभरातच – १९७९ मध्ये- कॉनवेला ‘व्हीएलएसआय डिझाइन’ हा अभ्यासक्रम शिकवण्यासाठी नियुक्ती दिली. मीड-कॉनवेच्या या व्हीएलएसआय क्रांतीचे दूरगामी परिणाम झाले. प्रथम म्हणजे चिप आरेखन आणि निर्मिती या दोनही प्रक्रिया विलग झाल्या. त्याचप्रमाणे पुढील काळात चिप आरेखनासाठी निर्मिलेल्या सर्व सॉफ्टवेअर प्रणाली या याच दोघांनी लिहिलेल्या अल्गोरिदम्सचा वापर करून तयार केल्या गेल्या. पण सर्वात महत्त्वाचा परिणाम म्हणजे अमेरिकेच्या संरक्षण सिद्धतेसाठी ‘डार्पा’नं व्हीएलएसआय क्रांतीत घेतलेला रस आणि हे संशोधन पुढे चालू ठेवण्यासाठी पुरवलेला निधी, ज्याचा आढावा पुढील लेखात घेऊ.
‘चिप’-उद्योगात कार्यरत असलेले तज्ज्ञ.
amrutaunshu@gmail.com
